Bài giảng Vật Lý 1 - Phần 2: Nhiệt học - Bài: Nhiệt động lực học - Lê Quang Nguyên

Nội dung text: Bài giảng Vật Lý 1 - Phần 2: Nhiệt học - Bài: Nhiệt động lực học - Lê Quang Nguyên

1. Nội dung 1. Nguyên lý thứ nhất 2. Nguyên lý thứ hai – Cách phát biểu của Kelvin Nhiệt động lực học 3. Nguyên lý thứ hai – Cách phát biểu của Clausius 4. Nguyên lý thứ hai – Entropy Lê Quang Nguyên www4.hcmut.edu.vn/~leqnguyen nguyenquangle59@yahoo.com 1. Nguyên lý thứ nhất Bài tập 1 = + Một lượng khí nitơ (N2) được nung nóng đẳng dU dW dQ − Công, nhiệt cho đi là âm áp, thực hiện một công bằng 2,0 J. ∆U = W + Q − Công, nhiệt nhận là dương Tìm nhiệt lượng mà chất khí nhận được. • Ý nghĩa: bảo toàn năng lượng. • Nội năng của một bình khí đứng yên gồm: − Động năng của các phân tử. − Thế năng tương tác giữa các phân tử. • Công, nhiệt phụ thuộc quá trình. •ΔU không phụ thuộc quá trình.
2. BT 2 – Mở rộng Bài tập 3 Đường • Nhiệt trao đổi trong quá Ba mol khí lý tưởng ở 273K được dãn nở đẳng đẳng nhiệt trình nở đẳng nhiệt từ a nhiệt cho đến khi thể tích tăng lên 5 lần. P a đến c? Sau đó khí được nung nóng đẳng tích để trở về c Q3= − W 3 ½P áp suất ban đầu. b T 2V Nhiệt toàn phần trao đổi trong suốt quá trình Q= nRT ln ½T 3 V là 80 kJ . V V =ln2 = 3500 2 nRT J Tìm chỉ số đoạn nhiệt γ = CP/CV của khí này. • Q3 ≠ Q: Nhiệt trao đổi phụ thuộc vào quá trình. Trả lời BT 3 Trả lời BT 3 (tt) • Nhiệt trao đổi trong • Tổng nhiệt trao đổi trong suốt quá trình: quá trình đẳng nhiệt: =+=ln5 + 4 QQ1 Q 2 nTR( C V ) = − = ln Q1 W 1 nRT( VVb a ) • Suy ra nhiệt dung mol đẳng tích: 1 = ln5 P a c Q ln5  = Q1 nRT T CV = − R  CV 21,1 J mol . K 5 4nT  b • Nhiệt trao đổi trong T • Chỉ số đoạn nhiệt của chất khí: quá trình đẳng tích: V 5V C C+ R R γ =P =V =+1 Q=∆ U = nC ∆ T C C C 2 2V 2 a: T = PV /nR V V V = 4 c: Tc = P(5V)/ nR Q2 nCTV γ = 1,4 → Tc = 5T
3. 2a. Nguyên lý 2: cách phát biểu của Kelvin 2b. Động cơ nhiệt – 1 • Nhiệt không thể tự nhiên chuyển hoàn toàn • Động cơ nhiệt: thành công. – nhận nhiệt từ nguồn Nguồn nóng • Động cơ nhiệt: chỉ có một phần nhỏ nhiệt nóng , Qh cung cấp được chuyển thành công của động – biến một phần nhiệt W cơ, thành công, Động cơ • Phần còn lại được thải ra môi trường chung – thải phần còn lại ra quanh. nguồn lạnh , Qc – hoạt động theo chu Nguồn lạnh trình . 2b. Động cơ nhiệt – 2 2b. Động cơ nhiệt – 3 • Trên giản đồ PV chu P • Hiệu suất của động cơ nhiệt: trình của động cơ nhiệt W Qc là một đường: e = e =1 − Q Q – khép kín, h h – hướng theo chiều kim • Trong một chu trình ΔU = 0: đồng hồ (W < 0), + + = 0 ⇔ − − = 0 – có diện tích = |W|. V Qh Q c W Qh Q c W W Q ⇒ =1 − c Qh Q h
4. Trả lời BT 6 (b) 3a. Nguyên lý 2: cách phát biểu của Clausius • Quá trình nở đoạn nhiệt: • Nhiệt không thể tự nhiên chuyển từ nơi lạnh 1−γ 1 − γ Nở đoạn sang nơi nóng. TPγ= TP γ hB cC nhiệt • Máy lạnh: phải cung cấp công để “bơm • Suy ra: nhiệt” từ nơi lạnh sang nơi nóng. 1−γ 1−γ T P  γ c =B = 2 γ T P  h C  • Vậy: e =1 − 2−2 7 = 0,18 3b. Máy lạnh (bơm nhiệt) – 1 3b. Máy lạnh (bơm nhiệt) – 1 • Máy lạnh là thiết bị • Trên giản đồ PV chu P – nhận công từ bên Nguồn nóng trình của máy lạnh là một đường ngoài, Qh – bơm nhiệt từ nguồn W – khép kín, lạnh, Máy – quay ngược chiều kim lạnh – và thải nhiệt ra nguồn đồng hồ (W > 0), nóng, Qc – có diện tích = |W|. V – hoạt động theo chu Nguồn lạnh trình.
5. Trả lời BT 8 4a. Nguyên lý 2: cách phát biểu thứ ba • Trong một hệ cô lập entropy luôn luôn tăng Qc K = hay giữ nguyên không đổi. W − Entropy tăng trong các quá trình bất Q 120 thuận nghịch, =c = = 24 W J − và không đổi trong các quá trình thuận K 5 nghịch. • Trong mỗi chu trình ta có ΔU = 0: WQQ++=hc W − Q hc + Q = 0 QWQh= + c =120 += 24 144 J 4b. Quá trình bất thuận nghịch 4c. Entropy – số đo sự hỗn loạn • Ví dụ: • Entropy của hệ tăng theo – sự truyền nhiệt: nhiệt chỉ truyền từ nguồn số cấu hình vi mô W: nóng đến nguồn lạnh. S= kln W J/K – sự khuếch tán: các phân tử chỉ lan tỏa từ nơi mật độ cao đến nơi mật độ thấp. • Mỗi cấu hình vi mô ứng • Đặc điểm: với một cách hoán vị các – không trải qua các trạng thái cân bằng, phân tử. – không thể biểu diễn bằng một đường cong • W càng lớn hệ càng hỗn trên giản đồ PV . loạn: entropy là số đo mức độ hỗn loạn của hệ .
6. Trả lời BT 10 (tt) ΔU = W + Q W Q e = =1 − c • Nối hai trạng thái bằng P W, Q > 0 khi hệ nhận Qh Q h một quá trình nở đẳng Bất thuận nghịch, T nhiệt ở T = 300K: hệ cô lập: S tăng e =1 − c Carnot T 2dQ1 2 Q h ∆=S∫ = ∫ dQ = S= kln W 1T T 1 T 2 300 K dQ Qc Q c V2 ∆ = K = = Q= − W = nRT ln S ∫ − T W Qh Q c V1 1 V1 V2 = 2 V1 V V T ∆S = nR ln 2 = 1729 J K quá trình thuận K = c V Carnot − 1 nghịch bất kỳ Th T c